Замислен в разгара на ядрената треска през 50-те години на миналия век, „Nucleon“ беше нещо като мисловен експеримент – концепция за автомобили, които теоретично могат да бъдат направени да се движат повече от 8 000 км, без да се налага зареждане с гориво. За съжаление технологията, необходима за превръщането на такава кола в реалност, беше далеч отвъд инженерите на деня. За тази цел той никога не е напускал чертожната дъска.

„Nucleon“ би бил, ако някога беше построен, би бил 5,09 м дълъг и 1,97 м широк, което го прави приблизително толкова дълъг, колкото компактния пикап Ford Maverick, но все пак малко по-широк. Покривът на колата би стоял на около 1,05 м инча от земята, което я прави малко по-висока от Ford GT40. Неговите колела също бяха доста близо едно до друго, за да издържат вероятно голямото тегло на бордовия ядрен реактор.

Що се отнася до източника на енергия, Форд предвиди нещо, наречено „енергокапсула“, която ще стои в „багажника“ на „Nucleon“. Според техния дизайн от онова време, този реактор ще бъде лесно обслужван и зареждан с гориво и ще генерира енергия за движение на колата чрез „електронни преобразуватели на въртящия момент“.

Въпреки че днес това изглежда изключително диво като концепция, по времето, когато ядрената енергия се появи онлайн за първи път, вероятно щеше да се почувства като въпрос на време преди неща като автомобили също да бъдат захранвани по същия начин. Въпреки това, дори „Nucleon“ беше нещо като закъснял в идеята. Инженерите, както се оказва, предлагат превозни средства с ядрено задвижване от около 1903 г. През 1941 г. например д-р Р. М. Лангер, физик от Калтех, изследва идеята за превозно средство, задвижвано от уран-235, в януарското издание на Popular Mechanics . Но точно както днес, свиването на ядрен реактор до размера, необходим за автомобил, се смяташе за много технически предизвикателство. Може би прекалено много.

„Самото ядро на реактора (включително екранировка) за малък ядрен реактор може наистина да се побере в двигателното отделение на лично превозно средство, което ще генерира достатъчно енергия за захранване на лично превозно средство,“ д-р Л. Дейл Томас, заместник-директор на задвижването Изследователският център към Университета на Алабама в Хънтсвил каза в интервю за The Drive.

„Въпреки това, трудността възниква от проблема с преобразуването на енергията. Ядреният реактор ще генерира топлинна енергия, която трябва да бъде преобразувана в механична енергия.“

И този процес обикновено изисква доста преобразувания на енергиен тип, за да работи ефективно. Пълномащабните ядрени реактори обикновено работят, като ефективно превръщат водата в пара (топлинна енергия), която след това се използва за превръщане на парна турбина (топлинна към механична). Тази парна турбина от своя страна се използва за производство на електричество. Ако се свие, за да се побере в кола, ще е необходимо допълнително преобразуване, за да се превърне електричеството обратно в механична енергия чрез двигатели. Всяка стъпка в този процес води до неефективност и загуба на енергия (обикновено като топлина) на всяка стъпка. Това може да се окаже много проблематично за една истинска ядрена кола – най-вече как да се справи с цялата тази излишна топлина.

При двигател с вътрешно горене отпадъчната топлина се отстранява от системата чрез изгорелите газове и радиаторите на двигателя. Топлината, необходима за отстраняване на ядрен реактор, не може просто да бъде изхвърлена в околната среда, така че ще трябва да се справим по друг начин.

Това вероятно ще изисква голям набор от топлообменници със затворена система, действащи подобно на климатичните системи с въздушна помпа. Такава настройка би добавила допълнително тегло и „паразитни загуби“ на електрическите системи на автомобила.

Те също могат сериозно да повлияят на естетиката на автомобила, но това е второстепенно съображение.

Поради тези причини ядрената енергия в малък мащаб на личен автомобил просто не беше възможна навремето, със сигурност не в мащаба на масовото производство, наблюдавано при съвременните автомобили.

„Мобилната ядрена енергия в такъв малък мащаб не беше осъществима през 50-те години“, обясни д-р Томас. „И не поради самия малък реактор, който сега разбираме как да конструираме и контролираме – вижте проекта KRUSTY на НАСА – а по-скоро преобразуването на топлинна към механична енергия и изхвърлянето на отпадъчната топлина в геометричната обвивка на лично превозно средство Освен това, с програмата за малки модулни реактори на Министерството на енергетиката, ядрената индустрия измисля как да произвежда масово ядрени реактори. По времето на „Нуклона“ много учени и технолози вероятно предполагаха, че този проблем може да бъде решен доста бързо. Въпреки това, технологиите за намалено преобразуване на енергия като тези, необходими тук, все още ни убягват днес в по-голямата си част.

Защо нямаме коли с ядрена енергия?
Една от основните причини е количеството екраниране, необходимо за предотвратяване на пътниците в превозното средство и широката общественост от получаване на фатални нива на радиация. Това е много сериозно техническо предизвикателство и ще го разгледаме малко по-късно.

Ако оставим настрана екранирането, ядрената технология се е подобрила значително от 50-те години на миналия век, така че можем ли днес да построим кола с ядрено задвижване?

Както се случва, по-актуално предложение за ядрен автомобил беше направено през 2009 г. Наречен Cadillac World Thorium Fueled Concept Car, според неговите дизайнери теоретично може да работи повече от 100 години без почти никаква поддръжка.

Концептуалната кола беше представена на автомобилното изложение в Чикаго през 2009 г., но само като експозиция – под капака нямаше работещ ядрен реактор. Торият би бил добър избор, тъй като е по-малко радиоактивен и е по-изобилен от други ядрени горива като урана. Всъщност някои съвременни проекти за микроядрени реактори се основават на използването на торий като гориво. Тези реактори, макар и малки, все пак не са достатъчно компактни, за да се поберат в шасито на личен автомобил.

Друг потенциален подход обаче се проучва от Чарлз Стивънс, изследовател в Масачузетската фирма за научноизследователска и развойна дейност Laser Power Systems. Неговото предложение беше да се разработи захранван с торий лазер, който може да се използва за генериране на достатъчно енергия за захранване на превозно средство, като същевременно произвежда нулеви емисии.

Стивънс очевидно е успял да произведе прототип на система, използвайки собствен лазер с висока интензивност „MaxFelaser“, който се захранва с торий. Тя работи, като използва лазерния лъч, за да изпари водата в пара под налягане, която завърта турбина и генерира електричество. След това това електричество може да се използва за захранване на двигатели за задвижване – точно както при EV колите. Системата на Стивън може да произведе общо 250 киловата (еквивалентни на 335 конски сили), ще тежи около 227 кг и ще бъде достатъчно малка, за да се побере под капака на кола. Впечатляващо, но липсата на автомобили, задвижвани с ториев лазер по пътя, изглежда показва, че никога не е излязъл наистина. Но може да има и друг подход. Нека представим идеята за „атомната батерия“.

Можем ли да използваме „атомни батерии“ за захранване на кола?
Вместо да поставим малък ядрен реактор в кола, бихме могли да мислим малко извън кутията. Една „атомна батерия“ разчита на стабилния разпад на ядрените изотопи (а не на верижна реакция), за да произведе по-малко, но постоянно количество електроенергия. Те също произвеждат малко или никакви отпадъци и всъщност биха могли да използват ядрени отпадъци като източник на гориво. Въпреки че се наричат „батерии“, те не са електрохимични по природа и не могат да бъдат презареждани (очевидно). Този вид „батерии“ имат изключително дълъг живот и много висока енергийна плътност.

За разлика от други концепции, обсъдени по-горе, тази технология вече съществува и е доказана технология. Те са например доста често срещани източници на енергия в космическите кораби. Това е отличен избор, тъй като „атомните/ядрените батерии“ имат много дълъг живот и са много издръжливи. Но те също не са евтини.

Интересното е, че някои предприятия от частния сектор, като NDB Technology, търсят начини за по-нататъшно развитие на тази технология.

Тяхната концепция „ядрена нано-батерия“ използва рециклирани ядрени отпадъци, с множество слоеве от силно синтетично диамантено покритие за защита, за да се направят много малки ядрени батерии. Според компанията „Енергията се абсорбира в диаманта чрез нееластично разсейване, което се използва за генериране на електричество.“ Някои от тези батерии дори могат да бъдат направени достатъчно малки, за да се поберат в малки електронни устройства като смартфони.

Тази невероятна част от технологията може, според NDB, да издържи и до 28 000 години! Невероятен.

Ако някога бъде напълно разработена, това е отлична новина за всеки начинаещ изобретател на ядрени автомобили. Ако тези батерии могат да бъдат направени така, че да се поберат в нещо като телевизор или телефон, те със сигурност могат да бъдат направени достатъчно големи, за да захранват цяла кола. Разбира се, за да пробият наистина на пазара, производителите ще трябва да преодолеят много сериозния недостатък на общественото възприятие за опасност и недоверие към ядрената енергия.

За ядрената индустрия подобно развитие също би било фантастична новина, тъй като техните отпадъци биха могли да станат нечий актив. Това също би направило индустрията много по-ефективна, тъй като всичко се оползотворява, дори и отпадъците. Правителствата също биха могли да застанат зад подобна инициатива, тъй като вместо да се налага да харчат парите на данъкоплатците за „изхвърляне“ на отпадъците, те биха могли да ги дадат на компания или производител на автомобили, нуждаещи се от отпадъците за своята кола или продукт.

Всички печелят, особено околната среда.

Може ли ядрената енергия да бъде свещеният граал за пазара на електромобили?
Колкото и интересни да са горните потенциални решения, бъдещето на ядрената употреба в превозните средства може да е нещо съвсем различно. Вместо да монтирате ядрени реактори в кола, може ли да е по-добро решение вместо това да използвате ядрени за зареждане на електромобили?

Особено големи електрически превозни средства като камиони?

Камионите са значително по-големи превозни средства от автомобилите и следователно изискват много повече мощност, за да се движат. Докато двигателите с вътрешно горене се оказаха безценни за това в миналото, има нарастващ натиск да се направят камионите по-„екологични“ чрез използването на изцяло електрически задвижвания. Но има един много сериозен проблем. Електрическите камиони ще се нуждаят от много повече енергия, отколкото малка EV кола. В някои случаи електрическите камиони изискват нещо от порядъка на пет до 10 пъти повече електроенергия от еквивалентна електрическа кола. Поради тази причина всяко реалистично предложение за изцяло електрически камион ще трябва да има достъп до изобилен източник на енергия. И за да бъде екологична, тази енергия ще трябва да бъде генерирана от чист източник на гориво – не от електроцентрала с изкопаеми горива.

Това важи особено за товарните превозни средства, които често извършват превози на дълги разстояния през повечето дни от седмицата. Въпреки че това вероятно може да се постигне чрез редовни спирания в бокса за зареждане на бордовата батерия, често се налага товарните превозни средства да пътуват до отдалечени места, които могат или не могат да имат пунктове за презареждане. Или ако съществуват, те може да нямат необходимия капацитет за нещо толкова жадно за енергия като голям камион. Това е мястото, където един микроядрен реактор наистина може да бъде полезен.

Както обяснява Foro Nuclear, „концепцията за ядрени реактори с малък размер не е нова. От известно време има малки реактори, които генерират електрическа енергия в отдалечени райони [Арктика, военни бази, космически кораби (вижте монографията Nuclear Power & Space Exploration)] в продължение на години, без да се налага презареждане. Тези проекти са резултат от над 20 години изследвания в Министерството на енергетиката на Съединените щати (DOE), със зрели и доказани технологии, които гарантират ядрена безопасност.

За захранване на EV камиони микрореакторите от този вид могат да се окажат божи дар. Всъщност инженерите от Националната лаборатория Аргон (ANL) в Илинойс работят върху интересен дизайн за микроядрен реактор, който в крайна сметка може да бъде инсталиран на много спирки за почивка по света. Тези реактори биха били повече от способни да генерират енергията, необходима за презареждане на нещо като 18-колесен камион в кратки срокове.

Известни като MiFi-DC (MicroFission Direct Current), тези реактори биха могли някой ден да се използват за презареждане на транспортни камиони на хиляди спирки за почивка в страна като САЩ или дори по света. Всеки реактор е приблизително с размерите на два домашни бойлера и е свързан към система за съхранение на енергия.

Такива реактори са сравнително прости части от комплект и може да се окажат доста евтини за изграждане и инсталиране. За разлика от други методи за производство на енергия, те също имат някои интересни присъщи предимства.

Първият е тяхната гъвкавост. Микроядрените реактори биха могли да осигурят много стабилно електрическо захранване, което може лесно да се адаптира към търсенето. За моменти, когато захранването не се източва от системата, топлината може да се съхранява в приложено място за съхранение, като се използва инертна течност, готова за използване по-късно.

Когато спирката за почивка е заета, системата може да получи достъп до тази гореща течност, за да произвежда пара и да генерира електричество, когато и когато е необходимо.

Другото предимство и най-важното от ядрена гледна точка е присъщата им безопасност. Тези реактори използват специален тип ядрено гориво, което предпазва целия радиоактивен материал изолиран от всякакъв външен контакт. Въпросното гориво е съставено от триструктурни изотропни пелети (TRISO), разработени след 60 години изследвания в националните лаборатории на DOE.

Тези малки пелети съдържат ниско обогатен уран, покрит с няколко слоя въглерод и материали на основата на керамика. Именно тези защитни слоеве предотвратяват отделянето на радиоактивни продукти на делене.

TRISO горивата са много по-структурно устойчиви на неутронно облъчване, корозия, окисление и високи температури от традиционните реакторни горива. Всяка частица ефективно действа като собствена система за задържане. Това им позволява да задържат продуктите на делене при всички условия на реактора.

Малките реактори, използващи пелети TRISO, могат също така, според Дерек Култген, старши инженер в ядрената и науката и инженерството в Националната лаборатория в Аргон (ANL), да работят повече от десет години. Това не е маловажно и може да доведе до много евтини разходи за зареждане за големи превозни средства като камиони в дългосрочен план. Може би дори да го направи конкурентен или по-евтин от изкопаемите горива.

Какво може да се обърка с превозните средства с ядрено задвижване?
За всеки почитател на ядрената енергия горното е много добра новина. Но, както всичко в живота, има някои потенциални недостатъци на тази технология – както бихте очаквали.

Първият е, че те трябва да бъдат олицетворение на безопасността. Тъй като източникът на енергия е силно радиоактивен, ще трябва да се вземат мерки за предотвратяване на облъчването на обитателите и обществеността като цяло, преди дори да можем да започнем да обмисляме въвеждането на тази технология. Краткосрочните и дългосрочните ефекти от излагането на радиация вече са добре проучени и известни, така че ограничаването на това до възможно най-голяма степен би било задължително.

Но колко би била приемлива максимална граница? В края на краищата, обемистото екраниране би означавало по-голяма тежест за автомобила и би добавило ограничения върху естетиката на автомобила.

Е, според Канадската комисия по ядрена безопасност дози от над 1000 милисиверта (mSv) вероятно ще причинят симптоми на лъчева болест. Работниците в ядрената енергетика обикновено получават 50 mSv годишно, работейки в атомни електроцентрали.

Обществеността обикновено е подложена на около 1 mSv годишно от различни източници на околната среда, като излагане на космическа радиация, но това може да бъде повишено в райони с висока радиоактивна геология (като високи нива на газ радон). Това е тази стойност, която повечето здравни власти ще определят като „лимит на ефективна доза“ за широката общественост.

Така че това би бил естествен индустриален стандарт за всички потенциални автомобили с ядрено задвижване на бъдещето. В зависимост от избрания тип ядрен източник на енергия, това може да означава, че атомните автомобили ще трябва да бъдат доста големи неща, за да осигурят необходимото количество екраниране.

Те също могат да бъдат доста обемисти или големи коли, подобни на Cadillac от 1950-те до 1970-те години. По-голямата част от размера на такава кола ще бъде разположена отпред или отзад, в зависимост от местоположението на ядрения материал, с всички последици от маневрирането и паркирането, които има голяма кола.

Ако обаче ядрените батерии могат да бъдат разработени за захранване на автомобил, този „въпрос“ може да стане спорен.

Във всички случаи обаче основният въпрос за безопасността ще бъде оцеляването на колата (добре и на реактора) по време на катастрофа. Всяка сериозна катастрофа може да доведе до много сериозна миниатюрна катастрофа с ядрено замърсяване. Най-малкото не е идеално, особено предвид броя на сериозните катастрофи всяка година. Да не говорим за необходимостта да се защити ядреното гориво от злоупотреба от потенциални терористи.

Това всъщност може да се окаже непреодолим потенциален проблем за всякакви предложения за истински ядрено задвижвани превозни средства в бъдеще.